熱負荷在線監測系統的設計及應用

王亞軍，習新魁，楊立波，姚力強，李 哲

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021；3.河南電力試驗研究院，鄭州 450052)

1 概述

為促進電力行業節能減排工作的開展，減少能源消耗和污染物排放，國務院辦公廳2007年以來相繼出臺了多項文件，為節能發電調度工作提供了政策支持。河北省南部電網(簡稱“河北南網”)熱電聯產機組在燃煤發電機組中所占比例較大，亟需研制相應的系統，實現對熱電聯產機組的供熱狀況集中監控以及調度區間的實時計算。為落實國家節能減排的要求，提高電力行業能源利用率，加強對河北南網燃煤發電機組實時運行熱負荷的實時監測，按照“以熱定電”的原則安排發電負荷，河北省電力公司調度通信中心與河北省電力研究院于2009年開始建設熱負荷在線監測系統，目前已接入統調電廠8個，機組21臺；非統調電廠10個，機組22臺。

2 熱電負荷關系模型

供熱汽輪機可分為背壓式和抽凝式2種類型。背壓式供熱機組在一定的供熱條件下，其電負荷是確定的，完全是“以熱定電”，因此不需要確定其電負荷調度區間；抽凝式供熱機組所承擔的電負荷與熱負荷并沒有確定一一對應關系，在一定供熱流量及供熱壓力下，電負荷可以在一定的范圍內(熱電聯產機組的電負荷調度區間)進行調整。

抽凝式熱電聯產機組在滿足一定的對外供熱負荷條件下，能夠保證熱電聯產機組安全穩定運行的電負荷區間是由供熱工況圖所決定的。供熱工況圖是由一系列的各級供熱抽汽流量(Fn1，Fn2)曲線、各級供熱抽汽壓力(Pn1，Pn2)曲線、最大主蒸汽流量(Fms_max)曲線、最小主蒸汽流量(Fms_min)曲線、最小排汽流量(Fk_min)曲線共同組成的網絡圖，這些曲線共同確定了安全電負荷區間。電負荷函數關系可表示為：

(1)

由式(1)可以看出，抽凝供熱機組的類型很多，正是由于熱電聯產機組在結構、供熱方式、調節方式等方面的多樣性，造成不同型號熱電聯產機組的供熱工況圖均不相同，并且供熱抽汽級數越多其復雜程度越高。供熱工況圖的高度復雜性給實時確定電負荷調度區間帶來較大困難，因此必須對供熱工況圖使用方法進行合理的簡化。

由于電負荷調度區間是指在保證一定的供熱負荷下安全穩定運行的電負荷范圍，因此只需要確定最小電負荷和最大電負荷，也就是如何確定一定的供熱負荷下供熱工況圖的邊界。

確定供熱工況圖邊界的約束條件包括最大電負荷限制、起始供熱負荷限制、各段供熱抽汽流量限制、汽輪機最大連續出力流量限制、自然升壓區限制、中壓缸排汽限制、低壓缸排汽限制等。通過引入這些約束條件，電負荷函數關系可簡化為：

(2)

通過式(2)可將供熱工況圖中包含的豐富信息規整為機組最低電負荷、最高電負荷、主汽流量、各段供熱抽汽壓力、各段供熱抽汽壓力等因子間離散的關系數據。這些關系數據就形成了熱電關系信息庫，便于數字化，以供計算模型使用。

3 系統設計

3.1 系統結構

河北南網熱負荷在線監測系統結構如圖1所示，依據物理網絡環境和數據流向可以劃分為4個組成區域。

圖1 河北南網熱負荷在線監測系統結構

第1區域，電廠數據采集區域。從電廠DCS中采集數據，然后由前置數據采集模塊進行存儲管理。

第2區域，調度通信中心區域。通過省調調度數據網路由器將從電廠采集到的數據傳輸到調度通信中心網絡，對Socket數據包進行解析和預處理，然后進行供熱指標計算和日月數據統計。將生成的數據保存到調度通信中心數據庫的同時，將數據文件副本利用橫向隔離裝置服務軟件擺渡到第3區域。

第3區域，信息存儲區域。基于目前的網絡部署狀況，第3區域和4區域為統一網絡區域，從功能上可以劃分為2個組成部分，之間部署防火墻，第3區域主要作用是對傳遞過來的數據文件副本進行解析并轉儲到信息中心數據庫中。

第4區域，信息發布區域。目前的信息發布僅局限于河北省電力公司信息內網，部署河北南網熱負荷在線監測系統，面向河北省電力公司信息中心、相關辦公區域以及河北省電力研究院用戶等。

3.2 子系統設計

河北南網熱負荷監測系統所涉及到的網絡環境和數據流向比較復雜，電廠數據從采集到展示，需要經過數據包傳輸、數據包解析、預處理、供熱指標計算、供熱指標統計、數據副本打包、跨越橫向隔離裝置、數據副本再解析、存儲以至展示等階段，在這期間，任何一個環節出現問題，都會導致數據傳輸的失敗。由于網絡環境的復雜性，因此整個系統采用多個子系統協同工作的設計模式，將多個子系統分別部署在不同的網絡區域，設計通信接口，進行協同工作，子系統部署見圖2。

圖2 子系統部署示意

多個子系統協同工作的模式，從功能上簡化了整個系統的設計規模，但是也在一定程度增加了維護工作量和各個子系統之間的不穩定因素。為了降低各個子系統之間的不穩定因素，在設計子系統時，盡量使主系統能夠實時監測各個子系統的運行狀況和運行日志，保證當某個子系統出現問題時，其他子系統不會受到致命性破壞，能夠繼續運行,并且能夠以最快和最敏捷的方法通知系統管理員，盡快排除子系統故障。

4 系統功能

河北南網熱負荷在線監測系統研究了河北南網統調及非統調熱電聯產機組的熱電對應關系，建立了熱電關系信息庫，實現了熱電聯產機組供熱實況監測，實時得到各機組電負荷實時調度區間及供熱經濟性指標。依據各類型機組熱電關系信息及機組熱力系統結構信息的特征因素，構建規范化建模體系，通過規范化建模體系與熱電關系信息及機組熱力系統結構信息的結合，控制整個計算流程，實現特定熱電聯產機組的電負荷調度區間及供熱相關經濟指標的實時計算。河北南網熱負荷在線監測系統具有如下功能。

a． 采用基于熱電關系特性的規范化建模體系，實現了統調、非統調大規模熱電聯產機組的快速熱電信息配置。由于河北南網統調、非統調熱電聯產機組數量眾多、類型繁雜、熱力系統結構形式千差萬別，給系統快速建模，以及該項技術的全面實施與推廣帶來挑戰。因此系統采用了“基于熱電關系特性的規范化建模體系”，后臺程序進行模塊化處理，多個模塊各司其職，完成整個數據計算、分析流程。計算服務主模塊中包含7個子計算過程，內容全面，結構清晰，囊括了河北南網所有類型機組。

b. 系統能夠依據機組供熱歷史數據，預測任意時段的電負荷調度區間，為合理安排機組參與電網調峰及制定熱電聯產機組出力計劃提供科學依據。首次在河北南網實現了供熱經濟指標集中實時監測，為供熱機組節能調度提供技術支撐。

c. 建立完善的供熱數據智能識別及重構機制，保障了數據的可靠性。采用跨平臺及跨電力安全區域的數據傳輸方式，保障了機組熱力數據的穩定性。

5 應用效果

熱電聯產機組在河北省火電機組中所占比重較大，隨著河北省電力工業的飛速發展，大型熱電聯產機組不斷建成、投產，系統監測的機組逐漸增多。熱電聯產機組在線監測與調度支持系統的應用，實現了各機組的供熱實況集中監測，依據實時調度區間對各機組進行調度，改變以往熱電聯產機組調度的被動局面，即提高了電網穩定性，又能真正實現“全社會能耗最低”的目標，具有很高的社會效益。利用該系統，可按照“以熱定電”的原則安排發電負荷，完成調度數據網與河北省電力公司調度通信中心互聯的熱電聯產機組熱負荷的處理。熱負荷在線監測系統的成功上線，有效落實了國家節能發電調度政策，為河北南網實現熱電聯產機組節能發電調度提供了技術支撐和保障。

6 結束語

河北南網熱負荷在線監測系統的實施和應用，實現了對熱電聯產機組熱負荷的實時監測，為熱電聯產機組發電負荷分配工作的科學化、規范化、信息化搭建了一個現代化的實時監測工作平臺，從根本上提高了針對熱電機組的發電負荷分配基礎管理水平，規范了發電負荷分配工作的管理流程，提高了工作效率，改變了以往不科學的發電負荷分配方式，達到了“以熱定電”的目的。系統作為節能發電調度工作的重要組成部分，其成功建設和應用，大大提高了熱電機組發電負荷分配的科學性，對繼續落實節能發電調度工作和建設環境友好型社會均具有巨大的意義。隨著該系統的不斷完善、優化和深入應用，其巨大的經濟效益和社會效益將逐步顯現出來。